Ecole «techniques de base du détecteur» Cargèse

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Ecole « techniques de base du détecteur »

Cargèse

Pascal Vincent Laboratoire de Physique Nucléaire et de Hautes Energies Université Pierre et Marie Curie

Introduction Méthodes expérimentales Les interactions des particules chargées Les interactions des particules neutres Les détecteurs de particules Visite d'une expérience

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PRÉFACE

« de quoi parlons nous ? »

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La femme L'homme

Végétaux Animaux Cellules

Molécules

Univers

Super-amas

Amas de galaxies Galaxies

Système Solaire Terre

Atomes noyaux nucléons quarks & leptons

Infiniment grand Infiniment complexe

Biologie

Psychiatrie

Physique nucléaire Physique atomique

& du solide Astrophysique

& Astroparticule

Cosmologie

Chimie

10⁴² = 1 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 ordres de grandeur

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La femme L'homme

Végétaux Animaux Cellules

Molécules

Univers

Super-amas

Amas de galaxies Galaxies

Système Solaire Terre

Atomes noyaux nucléons

Infiniment grand Infiniment complexe

Biologie

Psychiatrie

Physique nucléaire Physique atomique

& du solide Astrophysique

& Astroparticule

Cosmologie

Chimie

INSU/SAP

INP INSIS

INC

INSB INEE INSHS

INSMI INS2I IN2P3/SPP

IN2P3/SPP

INSU/SAP

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Le monde des particules

(un désir de simplicité)

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Vers l’infiniment petit

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Vers l’infiniment petit

Un atome est formé d’un cortège électronique dont les dimensions sont celle de quelques 10

^-10

m.

Entourant un noyau dont le rayon est de quelques 10

^-15

m

dans un monde quantique.

1 1 000 000 000 000 000 𝑚 = 1 𝐟𝐦 1

10 000 000 000 𝑚 = 1 Å

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Les particules « élémentaires »

Les fermions (spin = ½).

ν _e e ^-

Les leptons Les quarks

u d

Charge : -1 0 -1/3 +2/3 Masse

(MeV) 0.5

Masse (MeV) 3

Masse (MeV) 6 Masse

(MeV)

< 2.10^-7

u d d

neutron

u d

proton

u

Les baryons

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Quelques ordres de grandeur

Le joule (ou calorie) une unité d’énergie peu adaptée.

Décélération du camion Accélération d’un électron par 1kV de tension

≈ 154 000 000 Joules ≈ 3 680kcal ≈ 𝟏

𝟔 𝟐𝟓𝟎 𝟎𝟎𝟎 𝟎𝟎𝟎 𝟎𝟎𝟎 𝟎𝟎𝟎Joule

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L’eV

L’unité d’énergie utilisée pour le monde subatomique est l’électronvolt (eV).

C’est l'énergie cinétique d'un électron accéléré depuis le repos par une différence de potentiel d'un volt.

Pour élever la température d'un gramme d'eau pure de 1 degré centigrade, il faut 26 000 000 000 000 000 000 eV = 26 EeV (26 milliards de milliards d’eV).

V = 0 Volts d V = +1 Volts x

𝟏 𝐞𝐕 = 𝟏, 𝟔𝟎𝟐 ⋅ 𝟏𝟎^−𝟏𝟗𝐉 = 𝟎, 𝟑𝟖𝟑 ⋅ 𝟏𝟎^−𝟏𝟗𝐜𝐚𝐥

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Encore des ordres de grandeur

Les masses en présence :

Des grandeurs très différentes et d’autres très semblables : ?

𝑚

_p

= 1,672 621 ⋅ 10

⁻²⁷

kg 𝑚

_n

= 1.674 927 ⋅ 10

⁻²⁷

kg

𝑚

_e

= 9,109 381 88(72) ⋅ 10

⁻³¹

kg

𝒎 _𝐩 ≅ 𝟐 𝟎𝟎𝟎 × 𝒎 _𝐞

𝒎 _𝐩 ≅ 𝒎 _𝒏

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La masse : eV/c ²

Nécessité d’introduire une nouvelle unité :

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Des grandeurs pas si petites

La « densité matière nucléaire » :

60 milles milliards de fois la densité moyenne de la terre.

𝝆 ≅ 𝟔𝟎 𝟎𝟎𝟎 𝟎𝟎𝟎 𝟎𝟎𝟎 𝟎𝟎𝟎 × 𝝆

_⊕

𝝆 = Masse du nucléon

"Volume nucléaire"

= 𝒎

_𝑵

𝟒𝝅 𝟑 𝒓

^{𝒏𝒖𝒄𝒍𝒂𝒊𝒓𝒆}^𝟑

~𝟒 ⋅ 𝟏𝟎

^𝟏𝟕

𝒌𝒈. 𝒎

^−𝟑

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Quelques ordres de grandeur

Densité d’énergie :

Densité d’énergie (J/tonne)

TNT 4 184 000 000

Carburant 41 860 000 000

Uranium 235 81 000 000 000 000

Deutérium+Trithium 364 500 000 000 000

Nucléon de 1 GeV 166 000 000 000 000 000 000 000

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Comment sommes nous arrivé là ?

En cassant la matière avec des machines de plus en plus puissantes

mais ...

(16)

Ca se complique

En augmentant l’énergie on peut aussi …

créer de nouvelles particules étranges

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Les particules « élémentaires »

Les fermions (spin = ½).

ν _e ν _μ

ν _τ e ^-

μ ^- τ ^-

u c

t

d s b

(6 leptons + 6 quarks × 3 couleurs) × 2 spins + Antimatière = 96 états

Charge : -1 0 -1/3 +2/3

Masse (MeV) 1777.0 105.6 0.5

Masse (MeV) 174 300 1 250 3

Masse (MeV) 5 500 85 6 Masse

(eV)

< 20

< 0.2

< 2.10^-5

(18)

Le monde des interactions

(désir d'unicité)

(19)

Gravitation

Electro statique

Magneto statique

faible

forte E.M.

Electrofaible

QCD super symétrie,

cordes, super cordes, M-Théorie ?

Le monde des interactions

GUT Gravitation

terreste

Gravitation Celeste

Relativité generale

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Type Portée Intensité Quanta Charge domaine

Forte fm 1 8 gluons Couleur Nucléaire

E.M. ^Très

grande ~ 1/1 000 photon électrique

Nucléaire, atomique et moléculaire

Faible ^{1/100 fm} ~ 1/100 000 Z⁰, W^± saveur Nucléaire

Gravitation ^Très

grande

1/100 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000

graviton Masse ou

énergie Matière

Le monde des interactions

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H ⁰ Les particules « élémentaires »

ν _e ν _μ

ν _τ e ^-

μ ^- τ ^-

u c t

d s b

Les bosons Les fermions

γ g G ?

W ^- W ⁺

Z ⁰

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Une vision de l’Univers

(23)

< 10^-43 s : l’aire de Planck

~10^-34 s : l’inflation

Univers observable était avant l'inflation contenu dans un espace considérablement petit (1/1 000 000 000 du proton !),

10^-32 s : le « big bang » 10^-10 ... 1 s : les particules 380 000 ans

les atomes

13 700 000 000 d'années auront été

nécessaires pour donner naissance à l'école

« techniques de base du détecteur » de Cargèse Oléron (à 1.4% près). Dans 4 milliards d'années Andromède (M31) y mettra un terme.

Vide primordial : 10 ⁹⁴ GeV/cm³ ?

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L’Univers actuel



Plat



Homogène et isotrope



En expansion accélérée



Décrit par la métrique de Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker

𝒅𝒔^𝟐 = 𝒄^𝟐𝒅𝒕^𝟐 − 𝒂 𝒕 ^𝟐 𝒅𝒓^𝟐

𝟏 − 𝒌𝒓^𝟐 + 𝒓^𝟐𝒅𝜴^𝟐

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L’Univers actuel

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Distribution des galaxies

(27)

Matière hadronique 4.03%

Neutrinos 0.3%

Rayonnement 0.5%

Matière noire 25%

Energie noire 70%

Seul ~4.83% du contenu de l'Univers est identifié

Notre compréhension de l'Univers

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EPILOGUE

Quelles sont les questions ouvertes et les moyens d'y

répondre ?

(29)

Quelles sont les limites du modèle

standard

La compréhension des masses et hiérarchie (mécanisme de Higgs) Quelle est la masse des neutrinos ?

L'élémentarité des quarks et des leptons Pourquoi trois familles ?

Où est passé l'antimatière ?

L'unification des forces est elle possible ?

Deux familles de particules : bosons - fermions ? Y a t'il de nouvelles particules et interactions ? ...

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Quelles sont les limites du modèle

cosmologique

Quelle est l'origine des rayons cosmique d'énergie extrême ? Quel phénomène est responsable de l’inflation ?

Qu’est ce que l’espace temps ? Pourquoi 4 dimensions ?

Comment l'Univers a t'il commence (quelle a été la fluctuation primordiale)?

Quelle est l'origine de la matière noire (matière baryonique ~ 4 % de l'univers)?

 Autre forme de concentration de matière baryonique : Machos (quelques candidats…)

 Neutrinos produit dans les événements cosmiques (la masse est trop petite) ?

 Neutrinos cosmologiques (découplage)?

 Particules super massives (reliques du big bang) ?

L’énergie noire

 Energie du vide? Fluctuations quantiques des champs

 L’antimatière+antigravitation au delà de l’Univers ?

 Inflaton

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LA MÉTHODE

Comment répondre a ces questions ?

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La méthode

On cherche à étudier des objets qui ont existé dans un passé lointain où régnait des conditions bien différentes (haute énergie, haute densité) des conditions actuelles.

Solutions :

1. Reproduire les conditions qui ont pu exister à leur création.

2. Remonter le temps pour observer ces objets dans le passé.

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